2021学年第五节受迫振动共振学案及答案

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第五节　受迫振动　共振[核心素养·明目标]知识点一　受迫振动的频率1．等幅振动：振幅不变的振动．2．阻尼振动：振幅逐渐减小的振动．3．受迫振动：在外界驱动力作用下的振动．4．固有频率：物体自由振动的频率，只与它们自身的参数有关，称为固有频率．知识点二　共振1．条件：驱动力的周期(或频率)等于振动系统的固有周期(或固有频率)．2．特征：共振时，物体受迫振动的振幅最大．3．共振曲线：如图所示．知识点三　共振的应用与防止1．共振的应用在需要利用共振时，应使驱动力频率接近或等于振动系统的固有频率，振动将更剧烈．2．共振的防止在防止共振时，应使驱动力频率与系统的固有频率保持一定差距．1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．(1)做阻尼振动的物体其振动频率不变． (√)(2)阻尼振动振幅逐渐减小时，其频率也逐渐减小． (×)(3)驱动力的频率越大振动物体振幅越大． (×)(4)共振的条件是驱动力的频率等于物体的固有频率． (√)2．(多选)某一单摆由于受阻力作用，从开始摆动到逐渐停止的过程中(　　)A．振幅越来越小，周期也越来越小B．振幅越来越小，周期不变C．通过某一位置时，机械能始终不变D．机械能不守恒，周期不变BD　[单摆做阻尼振动时，振幅会减小，机械能减小，振动周期不变，故选项B、D对，A、C错．]3．某振动系统的固有频率为f1，该振动系统在频率为f2的驱动力的作用下做受迫振动，系统的振动频率为(　　)A．f1　　B．f2　　C．f1＋f2　　D．eq \f(f1＋f2,2)B　[做受迫振动的系统，其振动频率等于驱动力的频率f2，故B正确．] 考点1　阻尼振动、受迫振动与简谐运动的比较甲　　　　　　　乙(1)如图甲所示，生活中会见到阵风吹过树枝，使树枝左右摇摆，一会儿树枝就会停下来，树枝的运动是阻尼振动吗？(2)如图乙所示，荡秋千的小朋友在一旁小朋友的不断推动下不停地摆动．秋千的运动是受迫振动吗？提示：(1)是．(2)是．三者对比列表：【典例1】　(多选)一单摆在空气中振动，振幅逐渐减小．下列说法正确的是(　　)A．机械能逐渐转化为其他形式的能B．后一时刻的动能一定小于前一时刻的动能C．后一时刻的势能一定小于前一时刻的势能D．后一时刻的机械能一定小于前一时刻的机械能[思路点拨]　(1)在阻尼振动中，振动系统的机械能减小，即动能和势能之和减小．(2)在一段较短的时间内，动能和势能不一定都减小，关键要看动能与势能之间是如何转化的．AD　[单摆振动过程中，因不断克服空气阻力做功，使机械能逐渐转化为内能，选项A和D对；虽然单摆总的机械能在逐渐减小，但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化，动能转化为势能时，动能逐渐减小，势能逐渐增大，而势能转化为动能时，势能逐渐减小，动能逐渐增大，所以不能断言后一时刻的动能(或势能)一定小于前一时刻的动能(或势能)，选项B、C错．]阻尼振动的三个特点(1)振幅逐渐减小，最后停止振动．(2)系统的机械能逐渐减少，最后耗尽．(3)周期、频率不随振幅的变化而变化．[跟进训练]训练角度1　阻尼振动的图线1．(多选)如图所示是单摆做阻尼振动的振动图线，下列说法中正确的是(　　)A．摆球A时刻的动能等于B时刻的动能B．摆球A时刻的势能等于B时刻的势能C．摆球A时刻的机械能等于B时刻的机械能D．摆球A时刻的机械能大于B时刻的机械能BD　[在单摆振动过程中，因不断克服空气阻力做功使振动的能量逐渐转化为内能，C错，D对；虽然单摆总的机械能在逐渐减小，但在振动过程中动能和势能仍不断地相互转化．由于A、B两时刻单摆的位移相等，所以势能相等，但动能不相等，A错，B对．]训练角度2　受迫振动2．如图所示的装置，弹簧振子的固有频率是4 Hz．现匀速转动把手，给弹簧振子以周期性的驱动力，测得弹簧振子振动达到稳定时的频率为1 Hz，则把手转动的频率为(　　)A．1 Hz　　B．3 Hz　　C．4 Hz　　D．5 HzA　[受迫振动的频率等于驱动力的频率，把手转动的频率为1 Hz，选项A正确．] 考点2　共振的特点洗衣机在把衣服脱水完毕后，电动机还要转动一会才能停下来．该过程中洗衣机先振动得比较小，然后有一阵子振动得很剧烈，然后振动慢慢减小直至停下来．思考讨论：(1)开始时，洗衣机为什么振动比较小？(2)期间剧烈振动的原因是什么？提示：(1)开始时，洗衣机的固有频率与脱水桶的频率相差较远．(2)剧烈振动的原因是此时脱水桶的频率与洗衣机的固有频率接近．1．共振条件的理解(1)从受力角度来看：振动物体所受驱动力的方向跟它的运动方向相同时，驱动力对它起加速作用，使它的振幅增大，驱动力的频率跟物体的固有频率越接近，使物体振幅增大的力的作用次数就越多，当驱动力频率等于物体的固有频率时，物体的振幅达到最大．(2)从功能关系来看：当驱动力频率越接近物体的固有频率时，驱动力与物体运动一致的次数越多，驱动力对物体做正功越多，振幅就越大．当驱动力频率等于物体固有频率时，驱动力始终对物体做正功，使振动能量不断增加，振幅不断增大，直到增加的能量等于克服阻尼作用损耗的能量时，振幅才不再增加．2．对共振曲线的理解(1)两坐标轴的意义：纵轴：受迫振动的振幅，如图所示．横轴：驱动力频率．(2)f0的意义：表示固有频率．(3)认识曲线形状：f＝f0，共振；f＞f0或f＜f0，振幅较小．f与f0相差越大，振幅越小．(4)结论：驱动力的频率f越接近振动系统的固有频率f0，受迫振动的振幅越大，反之振幅越小．【典例2】　如图所示，在曲轴A上悬挂一个弹簧振子，如果转动把手，曲轴可以带动弹簧振子上下振动．(1)开始时不转动把手，而用手往下拉振子，然后放手让振子上下振动，测得振子在10 s内完成20次全振动，振子做什么振动？其固有周期和固有频率各是多少？若考虑摩擦和空气阻力，振子做什么振动？(2)在振子正常振动过程中，以转速4 r/s匀速转动把手，振子的振动稳定后，振子做什么运动？其周期是多少？(3)若要振子振动的振幅最大，把手的转速应多大？[思路点拨]　解答本题时应注意以下两个方面：(1)理解简谐运动、阻尼振动、受迫振动的概念．(2)知道受迫振动的频率与驱动力的频率的关系．[解析]　(1)用手往下拉振子使振子获得一定能量，放手后，振子因所受回复力与位移成正比，方向与位移方向相反(F＝－kx)，所以做简谐运动，其周期和频率是由它本身的结构特点决定的，称为固有周期(T固)和固有频率(f固)，根据题意T固＝eq \f(t,n)＝eq \f(10,20) s＝0.5 s，f固＝eq \f(1,T固)＝eq \f(1,0.5) Hz＝2 Hz．由于摩擦和空气阻力的存在，振子克服摩擦力和阻力做功消耗能量，使其振幅越来越小，故振动为阻尼振动．(2)由于把手转动的转速为4 r/s，它给弹簧振子的驱动力的频率为f驱＝4 Hz，周期T驱＝0.25 s，故振子做受迫振动．振动达到稳定状态后，其频率(或周期)等于驱动力的频率(或周期)，而跟固有频率(或周期)无关，故f＝f驱＝4 Hz，T＝T驱＝0.25 s．(3)要使弹簧振子的振幅最大，处于共振状态，必须使其驱动力的频率f驱等于它的固有频率f固，即f驱＝f固＝2 Hz，故把手的转速应为n＝2 r/s．[答案]　(1)简谐运动　0.5 s　2 Hz　阻尼振动(2)受迫振动　0.25 s　(3)2 r/s共振问题的分析方法(1)在分析解答有关共振问题时，要抓住产生共振的条件：驱动力的频率等于固有频率，此时振动的振幅最大．(2)在分析有关共振的实际问题时，要抽象出受迫振动这一物理模型，弄清驱动力频率和固有频率，然后利用共振的条件进行求解．[跟进训练]训练角度1　共振的现象分析3．如图所示，在一根张紧的水平绳上挂有5个单摆，其中b摆球质量最大，其余4个摆球质量相等，摆长关系为Lc>Lb＝Ld>La>Le，现将b摆垂直于纸面向里拉开一微小角度后释放，经过一段时间后，其余各摆均振动起来并达到稳定，下列叙述正确的是(　　)A．4个单摆的周期Tc>Td>Ta>TeB．4个单摆的频率fa＝fc＝fd＝feC．4个单摆的振幅Aa＝Ac＝Ad＝AeD．4个单摆中c摆的振幅最大B　[b摆垂直于纸面向里拉开一微小角度后释放，使得其他4个单摆都做受迫振动，受迫振动的频率等于驱动力的频率，所以4个单摆频率相同，周期也一样，所以A错误，B正确；当驱动力的频率接近物体的固有频率时，振幅最大，即达到共振．根据T＝2πeq \r(\f(L,g))知，d摆长与b摆长相等，则驱动力的周期等于d摆的固有周期，发生共振，所以d摆振幅最大，C、D错误．]训练角度2　共振曲线4．研究单摆受迫振动规律时得到如图所示的图像，则下列说法错误的是(　　)A．其纵坐标为位移B．其纵坐标为振幅C．单摆的固有周期为2 sD．图像的峰值表示共振时的振幅A　[纵坐标是振幅，不是位移，A说法错误，B说法正确；当f驱＝f固时发生共振，振幅最大，由图知T固＝eq \f(1,f)＝2 s，可见C和D的说法正确．]1．物理观念：阻尼振动、受迫振动、共振．2．科学思维：共振曲线．3．科学方法：比较简谐运动与阻尼振动、受迫振动的不同．1．(多选)下列说法中正确的是(　　)A．有阻力的振动叫作受迫振动B．物体振动时受到外力作用，它的振动就是受迫振动C．物体在周期性外力作用下的振动叫作受迫振动D．物体在周期性外力作用下振动，它的振动频率最终等于驱动力频率CD　[物体在周期性外力作用下的振动叫作受迫振动，选项C对，B错；这个周期性的外力应当能给振动物体补充能量，不是有阻力的振动，选项A错；受迫振动的频率最终等于驱动力频率，选项D对．]2．下列振动，属于受迫振动的是(　　)A．用重锤敲击一下悬吊着的钟后，钟的振动B．打点计时器接通电源后，振针的振动C．小孩睡在自由摆动的吊床上，小孩随着吊床一起摆动D．弹簧振子在竖直方向上沿上下方向振动B　[受迫振动是指在周期性驱动力作用下的振动，故A、C、D都是自由振动，B是受迫振动．]3．在飞机的发展史中有一个阶段，飞机上天后不久，飞机的机翼很快就抖动起来，而且越抖越厉害．后来人们经过了艰苦的探索，利用在飞机机翼前缘处装置一个配重杆的方法解决了这一问题．在飞机机翼前缘处装置配重杆的目的主要是(　　)A．加大飞机的惯性　 B．使机体更加平衡C．使机翼更加牢固 D．改变机翼的固有频率D　[飞机抖动得厉害是因为发生了共振现象，想要解决这一问题，需要使系统的固有频率与驱动力的频率差距增大，在飞机机翼前缘处装置一个配重杆，改变的是机翼的固有频率，故选项D正确．]4．下表记录了某受迫振动系统的振幅随驱动力频率变化的关系，若该振动系统的固有频率为f固，则(　　)A．f固＝60 Hz　　　　 B．60 Hz